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Prototipo de un dinamómetro para la evaluación objetiva de

los músculos motores del brazo

L Bisio1, G Gutierrez

1, A Marquez

1, R De Falco

2, SPorro

2, A Esteves

3, A Cisilino

1

1 División Soldadura y Fractomecánica INTEMA -, Departamento de Ingeniería

Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata.

Av. Juan B. Justo 4302, (7600), Mar del Plata, Argentina.

Email:[email protected] 2 Departamento de Terapia Ocupacional, Facultad de Ciencias de la Salud y Servicio

Social, Universidad Nacional de Mar del Plata. Funes 3350 Nivel +4 (7600) Mar del

Plata, Argentina.

Email: [email protected] 3 Ingenieria Electrónica, Estud. de Ing Mecánica Facultad de Ingeniería,Universidad

Nacional de Mar del Plata, Av. Juan B. Justo 4302, (7600), Mar del Plata, Argentina.

Resumen: Las pruebas de fuerza muscular proporcionan información fundamental para el

diagnóstico diferencial, pronóstico y tratamiento de los trastornos neuro-musculares y

músculo-esqueléticos en el miembro superior. Las evaluaciones utilizadas en la actualidad se

basan en métodos manuales que utilizan escalas de registro ambiguas que dependen más de la

capacidad muscular del examinador que la del evaluado. Con la finalidad de disponer de una

metodología objetiva para valoración de la capacidad funcional del miembro superior se

presenta en este trabajo el diseño de un dinamómetro para la medición instrumentada de las

fuerzas de los músculos motores primarios del brazo. El diseño propuesto resulta en una

aparatología discreta, portátil y con adquisición computarizada de los datos. Al mismo tiempo,

posibilita el necesario contacto entre el examinador y el evaluado para realizar las maniobras

de fijación, estabilización y verificación de tonicidad muscular.

1. Introducción

Dada la importancia de la vinculación de los miembros superiores con el medio que los circunda

estos cumplen quizás el papel más importante en nuestra actividad diaria, por lo que las afecciones

inflamatorias o degenerativas son muy comunes, en especial en el complejo articular del hombro. Las

molestias iniciales en el miembro superior son generalmente ignoradas o menospreciadas, hasta que el

dolor se agudiza profundamente provocando una pronunciada disminución de su movilidad. Un alto

porcentaje de estas lesiones son provocadas en actividades físicas relacionadas con el deporte, pero

aquellas que tienen que ver con la actividad laboral traen consigo una serie de inconvenientes que van

más allá de la misma lesión y que tienen que ver con el aspecto individual y social del trabajador. Una

lesión produce una ausencia parcial o total en el puesto de trabajo, repercute psíquicamente en el

individuo que requiere de tratamiento médico, con su inevitable costo asociado, y por último y más

importante, puede resultar en una discapacidad temporal o definitiva que le impida al paciente retomar

sus tareas con el nivel de eficiencia anterior a la lesión. Es así que la disponibilidad de equipamiento,

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

técnicas y recursos humanos con la capacidad de diagnosticar y brindar soluciones a las dolencias del

miembro superior resultan no sólo en beneficios económicos contribuyendo al incremento de los

índices de integración laboral y la estabilidad en el empleo, sino que también aporta a la mejora de la

calidad de vida. Es en este contexto que este trabajo presenta un equipo de banco para la medición de

las fuerzas musculares del miembro superior con la finalidad de disponer de una metodología objetiva

que sirva como complemento para el diagnóstico, evaluación, control de evolución, planificación y

herramienta de investigación en los tratamientos de pacientes con alteraciones anátomo–funcionales.

2. Materiales y Métodos

2.1 Evaluación de fuerza muscular

La fuerza muscular es la expresión de la tensión muscular transmitida al hueso a través del

tendón. Como fue ya antes mencionado, el método de evaluación de fuerza muscular más difundido es

el de valoración manual. Este método utiliza una escala de registro basada en la capacidad de un

músculo en realizar el desplazamiento de las palancas en relación a la gravedad, como se indica en la

Tabla 1 [1].

Tabla 1: Escala de registro de capacidad muscular

Registro Capacidad del músculo

M0 Parálisis total

M1 Contracción sin desplazamiento de palancas

M2 Desplazamiento de palancas sin acción de la gravedad

M3 Desplazamiento de palancas contra la acción de la gravedad

M4 Desplazamiento de palancas contra resistencia moderada

M5 Desplazamiento de palancas contra resistencia máxima

El método de valoración manual presenta una serie de limitaciones. Por un lado la acción de la

gravedad sobre el desplazamiento de palancas es un factor que interviene solo en el 60% de los

músculos de las extremidades, por lo que la escala de la Tabla 1 no es apta para la evaluación de todos

los músculos del miembro superior. A su vez, los conceptos de resistencia moderada y resistencia

máxima son ambiguos y dependen más de la capacidad muscular del examinador que la del evaluado

[2]. Kendall et al [1] refiriéndose a las pruebas musculares de valoración manual observan que “los

resultados solo son útiles cuando se registran con exactitud, ya que una prueba inadecuada solo puede

conducir a confusión” y además agregan que “las mismas representan un procedimiento que depende

del conocimiento, destreza y experiencia del examinador”. El dinamómetro construido mide la fuerza

ejercida por el musculo examinado mediante celdas de cargas. Estas se encuentran orientadas en la

dirección en la que se ejerce la fuerza, siguiendo los métodos de posicionamiento y técnicas de

estabilización usados en la evaluación manual.


2.2 Antecedentes y requisitos de diseño

En los últimos años se han desarrollado dispositivos para medir fuerzas musculares del miembro

superior que consisten en sensores que deben ser sostenidos por el examinador (ver por ejemplo el

Lafayette Manual Muscle Test System [3]). Aunque estos dispositivos presentan una mejora sobre el

método manual al permitir cuantificar el valor de las fuerzas, conservan la limitación de que la fuerza

del examinador es la que gradúa la resistencia opuesta al músculo evaluado. Otros equipamientos más

sofisticados son por ejemplo el ULTMS (Upper Limb Tone Measurement System) desarrollado por la

Universidad de Johns Hopkins [4], dispositivo robótico automatizado para cuantificar el tono de los

grupos musculares flexores y extensores de la muñeca, y el comercializado por la empresa

Quantitative Muscle Assessment [5] que combina sensores de fuerza junto con análisis de ultrasonido

para la identificación del músculo. Debido a su elevado precio, estos dispositivos son de difícil acceso

y no se encuentran disponibles en nuestro país.

Se propone en este trabajo un dispositivo sencillo y portátil que sirve para valorar en forma

objetiva las fuerzas musculares del miembro superior. Este equipo contempla los siguientes aspectos:

Capacidad para explorar en la forma individual los músculos motores primarios del brazo:

deltoides anterior, deltoides medio, deltoides posterior, bíceps y tríceps. Si bien existen otros

grupos musculares en el brazo, se considera a estos cinco como los de principal importancia,

ya que brindan el mayor caudal de información sobre el estado del paciente.

El paciente se encuentra en una posición que asegura que las partes o regiones del cuerpo que

no son objeto del examen se mantengan en la forma más firme y estable posible. La posición

sentada es la más adecuada para el examen del miembro superior con los tobillos en 90º de

flexión dorsal, rodilla en flexión de 90º, cadera en flexión de 90º y apoyo lumbar sobre el

respaldo. Altura del respaldo: hasta columna dorsal. La altura del asiento es regulable para

adaptarse a las dimensiones de cada paciente.

La región proximal del segmento explorado se encuentra estabilizada. La calidad de la fijación

depende en gran medida de la silla de exploración. El examen no será adecuado si el paciente

se apoya sobre un lecho blando que se hunde cuando se realiza la acción muscular. La fijación

de la zona proximal de la extremidad la realiza el explorador, permitiendo el control manual

para prevenir las posibles compensaciones musculares.

El dispositivo permite el contacto entre el examinador y el evaluado para realizar las

maniobras de fijación, estabilización y verificación de tonicidad muscular.

Cuenta con un sistema computarizado para el registro de datos

3. Resultados

El dispositivo fue diseñado para medir las fuerzas de los cinco músculos motores principales del

brazo según el procedimiento que se resume en la Tabla 2. Este procedimiento es una adaptación del

utilizado por el método de valoración manual (ver Kendall et al [1]) para la utilización del dispositivo

propuesto. (Figura 1). Las Figuras 2 y 3 presentan vistas del diseño logrado. En la Figura 2 se indica la

posición del paciente y la geometría del dispositivo plegado, mientras que en la Figura 3 se indican sus

movimientos principales. Se trata de un dispositivo totalmente pasivo que es en esencia una balanza

electrónica orientable con la posibilidad de registrar la posición de los sensores para tener repetitividad

en las mediciones


(a) Deltoides anterior

(b) Deltoides medio

Figura 1: Posiciones de medición para los músculos deltoides (a) anterior y (b) medio.

Es interesante notar que para la secuencia de posiciones de la Tabla 2 el brazo del paciente

describe aproximadamente un cono con vértice en la articulación del hombro. Sobre la base de esta

observación se estudió la cinemática del dispositivo de manera tal que sea posible, para todas en las

posturas indicadas, ubicar los sensores de fuerza en posiciones conjugadas a las del brazo del paciente.

El dispositivo consta de una columna vertical principal que sostiene y posiciona en altura al brazo de

medición. La columna tiene un mecanismo telescópico neumático de longitud regulable y bloqueo

mediante una válvula hidráulica, similar a las utilizadas en el pie de los muebles de oficina. Esto

permite su posicionamiento a diferentes alturas compensando el peso de la estructura superior. El

brazo de medición sirve de guía para el soporte de los sensores. El brazo de medición gira alrededor de

un eje solidario a la columna e inclinado 30º grados respecto de la horizontal. El giro del brazo de


Figura 2: Modelo tridimensional del dispositivo de medición en referencia la posición del

paciente. A la derecha posición plegada.

Columna principal telescópica.

Brazo de medición

Soporte de los sensores de

fuerza

Plataforma rebatible

medición puede bloquearse en posiciones predeterminadas mediante una traba ubicada en la

articulación del brazo de medición y la columna.

El soporte de los sensores se puede deslizar y girar sobre el brazo de medición. Su posición se fija

mediante un mecanismo de fricción contra el brazo de medición. El posicionamiento de los sensores a

lo largo del brazo de medición y con el control de altura de la columna permiten adaptar el dispositivo

a la contextura de cada paciente. El desplazamiento y el giro de los sensores y la altura de la columna

pueden ser medidos mediante escalas graduadas y registrados junto con los datos de fuerza para

asegurar la repetitividad de la medición.

La fuerza ejercida por el paciente es medida por los sensores de fuerza y registrada en forma continua a

través de un sistema de adquisición y acondicionamiento de señal conectado a una PC a través de una

interfase USB. Los sensores están dispuestos en alojamientos en el soporte mediante trabas. Se utilizan tres

sensores, uno para la medición de fuerza ejercida por bíceps y tríceps, uno para deltoides medio y otro para

anterior y posterior. La ubicación del sensor en el Soporte De Sensores y la posición de Brazo De Medición

son específicos para cada medición. Si se dispone de un único sensor o celda de carga, se puede alternar la

posición de este en cada alojamiento según corresponda Los datos adquiridos son procesados por un

programa desarrollado en el entorno de software Lab VIEW. El programa cuenta con una interfase amigable

para el usuario para la toma de datos y el archivo de los parámetros de la prueba (altura del brazo, posición de

los sensores, etc.).


.

Las celdas de carga utilizadas son del tipo de bajo perfil (tipo botón), para la medición de

fuerza, con una sensibilidad de 2mV/V, construida en acero inoxidable, marca Omega. Carga máxima

admisible de 114 Kg. La celda de carga es energizada por una fuente y genera una señal analógica que

es acondicionada mediante un módulo de acondicionamiento que amplifica, filtra y aísla la señal. Este

módulo tienes una ganancia de 75 a 1000, con una sensibilidad de 1mV/V, marca Transducer

Technics. La conexión de los dispositivos de medición a una computadora se realiza mediante una

conexión USB a un módulo de adquisición de datos marca National Instruments, cuya función es

convertir la señal analógica en digital, Tiene entradas de 8 y 14 bit resolución

A partir de la base del soporte de la columna principal se despliega una plataforma rebatible

construida en tubo estructural, de sección cuadrada de acero, cubierta con madera placa contrachapada

y revestimiento antideslizante de goma texturada. Sobre la que se coloca la silla. El peso propio del

paciente sobre la plataforma brinda estabilidad al sistema. Dependiendo de la posición de la silla sobre

la plataforma el dispositivo sirve para el examen de ambos brazos. Esta disposición se adoptó con el

Eje de articulación del brazo de medición

Figura 3: Descripción de los movimientos para el posicionamiento del

dispositivo de medición de fuerza.

Ángulo de abducción del brazo

Figura 4: Diagrama de módulos de los dispositivos de adquisición de datos.


objetivo de reducir el espacio necesario para el almacenamiento del dispositivo cuando está fuera de

uso y facilitar su transporte en el caso de prácticas fuera del consultorio (domiciliarias o en

hospitales). El peso total del aparato es de 35 kg. Desde el punto de vista estructural todos los

elementos están dimensionados para presentar la necesaria rigidez frente a las máximas fuerzas que

pueda ejercer un paciente, así como para el rango máximo de medición (100 Kg).

Tabla 2: Detalle de condiciones para el examen de los músculos motores principales del brazo

Musculo Condiciones

Deltoides

anterior

Acción primaria: Flexor de la articulación gleno-humeral.

Posición: Hombro en leve abducción y rotación interna de 30º.

Zona de fijación: Escápula.

Dirección de movimiento: Plano sagital, dirección anterior.

Orden verbal: “Mueva el brazo hacia adelante”.

Punto de aplicación: Proximal a la articulación del codo.

Deltoides

medio

Acción primaria: Abducción de la articulación gleno-humeral.

Posición: Hombro en abducción de 30º. Rotación neutra.


Dirección de movimiento: Plano frontal, dirección externa.

Orden verbal: “Mueva el brazo hacia el costado”.

Punto de aplicación: Proximal a la articulación del codo, zona lateral

externa de brazo, por encima de epicóndilo.

Deltoides

posterior

Acción primaria: Extensor de la articulación gleno-humeral.

Posición: Hombro en leve abducción y rotación neutra.


Dirección de movimiento: Plano sagital, dirección posterior.

Orden verbal: “Mueva el brazo hacia atrás”.

Punto de aplicación: Proximal a la articulación del codo, zona posterior del

brazo, por encima del olecranon.

Bíceps

Acción primaria: Flexor de la articulación del codo.

Posición: Hombro en posición de relax. Codo en 90º de flexión. Antebrazo

en supinación.

Zona de fijación: Brazo.

Dirección de movimiento: Plano sagital, dirección anterior.

Orden verbal: “Flexione el codo”.

Punto de aplicación: Proximal a la articulación de muñeca, cara anterior del

antebrazo.

Tríceps

Acción primaria: Extensor de la articulación del codo.

Posición: Hombro en adducción completa y rotación neutra. Codo en

flexión de 90º. Antebrazo en pronación.

Zona de fijación: Brazo.

Dirección de movimiento: Plano sagital, dirección posterior.

Orden verbal: “Mueva el brazo hacia abajo”.

Punto de aplicación: Proximal a la articulación de la muñeca, cara anterior

del antebrazo.


3. Conclusiones

Se presenta un dispositivo para la medición cuantitativa y objetiva de las fuerzas de los músculos

motores principales del miembro superior. La metodología propuesta involucra la adquisición y

registro de datos mediante PC y deja a cargo del evaluador las maniobras de fijación, estabilización y

verificación del tono muscular durante la medición.

El peso y las dimensiones del dispositivo propuesto lo hacen apto para la práctica en consultorios

con espacio limitado y transportable para prácticas hospitalaria y domiciliaria.

Siendo un dispositivo de medición mecánico- electrónico, la síntesis del diseño general del

dispositivo resulta en un muy bajo nivel de aprensión en el paciente y las técnicas implementadas

dejan en manos del terapista el control del manejo postural del mismo, así como la decisión de

efectuar el registro de las mediciones. (Figura 5)

Se construyó un prototipo el cual está en la fase de implementación y se terminó la interface de

adquisición de datos desde una computadora. Con estos elementos se entra en la etapa de

protocolización de los métodos de medición de fuerza para los distintos músculos para habilitar el

uso clínico del dispositivo.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por el proyecto PICT 12-14114 “Biomecánica del Miembro

Superior” de la Agencia Nacional de Promoción Científica de la República Argentina y Tecnológica y

la Universidad Nacional de Mar del Plata

Figura 5: Aspectos de la medición en el prototipo, de acuerdo a la

metodología propuesta.


4.Referencias

[1]. Kendall F.P., Kendall E. y Mc Creary E. “Músculos, Pruebas y Funciones”. Ed. Jims. Barcelona.

1985. Cap 1. Pag. 1 a 17. Cap. 4 Pag59 a 128

[2]. Hunther J.M., MacKin E.J. y Dallahan A.D. “Rehabilitation of the Hand: Surgery and Therapy”,

Ed. Mosby, 1995. Part IV. Cap. 11. Pag.153-183. Cap. 12 Pag. 185 -213

[3]. Lafayette Manual Muscle Test System, Lafayette Instrument Company, Lafayette, IN 47903,

USA. Disponible en http://www.lafayetteevaluation.com (revisado en octubre de 2008)

[4] Department of Physical Medicine & Rehabilitation, Universidad Johns Hopkins, Baltimore,

Maryland, USA. Disponible en http://www.hopkinsmedicine.org/Rehab/research/biomech.html

(revisado en octubre de 2008)

[5]. Quantitative Muscle Assessment, Aeverl Medical, Gainesville, Georgia, USA. Disponible en

http://www.qmasystem.com (revisado en octubre de 2008)

.


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